Краткая теория

Как известно, вещества в твердом состоянии испускают излучение со сплошным спектром, одинаковым для всех тел. В разреженных газах или в парах металлов взаимодействие между отдельными атомами незначительно. Поэтому спектры таких газов состоят из отдельных спектральных линий различных частот, строго определенных для каждого химического элемента. Такой спектр называется линейчатым. Таким образом, по линейчатому спектру можно определить, какой элемент присутствует в газе.

Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Было замечено, что линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы, которые получили название серий. Некоторые линии (или полностью серии линий) лежат в видимой области спектра, но большая часть находится в инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра. Проще всего пронаблюдать эти закономерности на примере простейшего атома – атома водорода.

Длину волны любой линии можно представить одной формулой, которая называется сериальной:

,

(11.1)

где n = 1, 2, 3, 4, 5; m и n – целые числа. При заданном n число m принимает значения, начиная с n + 1.

Объяснение закономерностей расположения линий в спектре можно получить, основываясь на теории атома водорода, предложенной Н.Бором. Он сформулировал законы движения электрона в атоме и характер излучения атома в виде постулатов, которые дали объяснение экспериментальным фактам.

Первый постулат. Электрон в атоме может двигаться только по строго определенным – стационарным орбитам, находясь на которых, он не излучает энергию. Радиус стационарных орбит определяется из условия: момент импульса электрона кратен постоянной Планка:

; (n = 1, 2, 3, …).

(11.2)

Второй постулат. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта, энергия которого пропорциональна частоте излучения:

.

(11.3)

Э нергии h при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается переход электрона:

.

(11.4)

На рис. 6.1 схематически показаны переходы электрона, которые связаны с появлением видимых линий в спектре атома водорода. Физический смысл чисел n и m легко понять с помощью формулы (6.8): это номера орбит, между которыми происходит переход электрона. Несмотря на удачное объяснение спектральных закономерностей водородоподобных атомов, теория Бора обладает рядом недостатков. В частности, она не может объяснить спектры излучения более сложных атомов и различную интенсивность спектральных линий. Эти трудности были преодолены квантовой теорией, показавшей неприменимость классических представлений к микрообъектам.

Описание установки

В данной лабораторной работе Вы будете наблюдать видимую часть спектра атомов ртути и других газов. Для получения спектра используется монохроматор УМ-2. Оптическая схема прибора показана на рис. 11.2.

Основной частью монохроматора является призма 4, разлагающая свет в спектр. Свет на призму попадает от источника 1 через коллиматорную трубку, состоящую из щели 2 и конденсора (системы линз) 3, с помощью которых получают узкий пучок параллельных лучей. После преломления в призме лучи собираются линзой 5 в её фокальной плоскости, где получается изображение спектра.

Р азложение белого света при прохождении его через призму – проявление дисперсии света. Это явление, экспериментально открытое Ньютоном в 1672 году, обусловлено зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (частоты) света. Сущностью явления дисперсии является различие скоростей распространения лучей света с различной длиной волны в веществе. Различают нормальную и аномальную дисперсию. При нормальной дисперсии, чем больше частота световой волны, тем меньше скорость волны в среде и больше показатель преломления. Она наблюдается вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом. В некоторых веществах наблюдается аномальная дисперсия, при которой фиолетовые лучи преломляются меньше, чем красные. Аномальная дисперсия наблюдается у всех газов на частотах вблизи линий поглощения. При нормальной дисперсии dn/dν>0, а при аномальной дисперсии dn/dν<0, где n – показатель преломления, ν - частота света.

Отклонение лучей, падающих под углом α₁ на призму с углом у ее основания ω и выходящих из нее под углом α₂, определяется формулой:

(11.5)

При малом угле падения входящего луча для угла его отклонения получается более простая формула:

(11.6),

где n — относительный показатель преломления материала призмы.

У света красного цвета скорость распространения в стекле максимальна, а показатель преломления – минимальный, а для света фиолетового цвета скорость распространения в стекле минимальна, а показатель преломления – максимальный. Поэтому для света, прошедшего через призму максимальное отклонение наблюдается для фиолетового света, а минимальное – для красного.

На рис. 11.3 изображен общий вид монохроматора. Для регулировки ширины щели имеется винт 4. Рукоятка 5 с надписью «закрыто – открыто» управляет движением затвора. Весь спектр не попадает в поле зрения прибора, и, поворачивая призму, можно наблюдать только разные его части. Поворот призмы осуществляется барабаном 6, на котором нанесены деления – градусы, отсчёт которых делается по указателю 7. Чтобы определить длину волны, спектральную линию устанавливают посередине указателя, имеющегося в окуляре 8.

Для определения длины волны, соответствующей выбранной линии в спектре, необходимо соотнести значения на шкале барабана N с длинами волн . Это можно сделать, исследуя излучение с известным спектром. Как правило, полученные данные представляются в виде графика зависимости N=f(), который называется градуировочным графиком. Так как значения на шкале барабана N соотносятся с отклонением лучей при прохождении призмы, производная dN/d, характеризующая наклон градуировочного графика, позволяет судить о виде и величине дисперсии, наблюдаемом при разложении света в спектр.